川藏鐵路某冰川泥石流橋梁安全凈空高度研究

羅 鋒

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

引言

川藏公路波密縣境內沿帕隆藏布兩岸是冰川泥石流、冰湖潰決型泥石流災害高易發(fā)區(qū)，其中，古鄉(xiāng)溝泥石流、培龍貢支溝泥石流及天魔溝泥石流曾多期多次毀壞川藏公路路基、橋梁工程，嚴重影響了公路安全[1-4]。川藏鐵路在該段地質選線研究中，泥石流災害是重要控制因素[5]。

前人對該區(qū)域內冰川泥石流已進行了諸多研究，在冰川泥石流區(qū)域特征評估、成因分析等方面，崔佳慧等[1]基于GIS平臺對川藏公路然烏至波密段泥石流的分布規(guī)律和發(fā)育特征進行總結與分析；胡佳勝等[6]對西藏林芝地區(qū)典型泥石流溝調查后，對泥石流類型進行了分類，分析了其形成條件并給出針對性防災建議；魯新安、鄧明楓等[7-8]分別對2005年古鄉(xiāng)溝泥石流與2007年波密縣群發(fā)性冰川泥石流的水熱條件與形成機制進行分析，指出冰川泥石流的發(fā)生主要受集中降雨與持續(xù)高溫的共同作用；屈永平等[9]對天摩溝冰川泥石流形成條件進行詳細回溯分析。

在泥石流定量分析方面，程尊蘭等[10]對古鄉(xiāng)溝泥石流進行了計算，并提出相關公式；韋方強等[11]從泥石流的二維運動方程出發(fā)，對古鄉(xiāng)泥石流溝進行了數(shù)值模擬，獲取了其最大流速、流深、動能和動量的空間分布；Ge Yonggang等[2]對天摩溝歷次暴發(fā)泥石流歷史進行綜合分析，并對該次泥石流峰值流速、流量及物質總量進行了詳細計算，并給出相應的減災建議；鐘鑫、楊德宏等[12-13]分別對卡達溝、培龍貢支泥石流進行了形成機理、特征分析，并進行相應的泥石流特征值計算。羅濤[4]等在對培龍貢支泥石流發(fā)育特征分析的基礎上，提出公路橋梁跨越方案。

目前，對于冰川泥石流的研究主要集中在成因、機理及特征值計算方面，缺乏在具體工程中的研究應用以及系統(tǒng)性的計算流程總結，以川藏鐵路波密段內具有重要影響的某典型泥石流溝為例，從該泥石流溝的易發(fā)性、暴發(fā)后泥石流最大影響范圍等方面分析線路穿越宜采用的工程形式，特別是在此類高地震烈度區(qū)，若以橋梁形式通過，就橋址選擇、橋梁安全凈空高度與橋跨形式設置進行計算與分析，并系統(tǒng)性地總結冰川泥石流溝橋梁安全凈空高度計算體系與流程，最終提出線路建議跨越方案。

1 研究區(qū)概況

1.1 研究對象

川藏鐵路波密縣境內段線路是該段主要走向方案之一，即沿帕隆藏布北岸念青唐古拉山東麓高山中走行，沿線分布有21條冰川泥石流溝谷，如圖1所示。其中，C溝谷流域面積大、溝頂冰川發(fā)育，溝口冰磧物廣布、溝內物源豐富，具備該地區(qū)冰川泥石流溝的典型特征，對線路方案研究具有重要價值，故選擇C溝為研究對象，開展線路跨越方案研究。

圖1 研究區(qū)冰川泥石流溝分布

1.2 自然地理條件

區(qū)域地貌屬藏東南高山峽谷區(qū)，地形高差大、切割強烈，岸坡陡峻，溝谷上游多發(fā)育冰川地貌。帕隆藏布江兩岸高山區(qū)海拔5 500～6 000 m，帕隆藏布河谷區(qū)海拔2 000～2 500 m，相對高差2 000～3 500 m。氣候屬亞熱帶山地濕潤季風氣候，夏無酷熱、冬無嚴寒、雨量充沛、霜期短、晝夜溫差大、氣候溫潤[14]。年平均溫度13 ℃，年平均降水量為1 276.0 mm，年最大降雨量1 514.7 mm。

1.3 地質背景條件

區(qū)域一級構造單元屬岡底斯—喜馬拉雅造山系，受構造影響，發(fā)育一系列北西向的平行斷裂帶，區(qū)內出露的主要有嘉黎—易貢藏布斷裂與嘉黎—迫龍藏布斷裂(全新世活動斷裂)。其出露的主要地層為一套古—中元古代念青唐古拉群片麻巖夾大理巖及燕山期侵入巖，溝谷出露地層為第四系全新統(tǒng)沖洪積碎石類土及上更新統(tǒng)冰積碎石類土，如圖2所示。

圖2 C溝工程地質平面

2 跨越方案分析

2.1 泥石流溝概況

C溝為帕隆藏布右岸一級支流，為特大型冰水混合型泥石流溝，流域面積53.53 km2，主溝長12.39 km，溝床平均縱坡171‰，主溝枯季流量約為97 000 m3/d。距溝口約12 km的最高峰海拔5 880 m，最大高差3 661 m，兩側岸坡一般坡度角為30°～32°，坡度較陡的坡面主要位于流域周邊靠近分水嶺區(qū)域。古冰磧物分布于溝谷中下游，形成兩扇巨大的冰磧平臺。據(jù)現(xiàn)場調查結合平面圖分析，其主河河形彎曲或堵塞，主流受擠壓偏移，溝谷中礫石一般粒徑介于1～2 m，最大運移塊石粒徑可見5 m，如圖3所示。

圖3 C溝溝道及泥石流堆積物

C溝流域山坡坡度較陡，其中25°～35°和≥35°的坡地面積達44.45 km2，占總流域的83%，較陡的坡體主要位于流域的上緣，主溝兩側山坡較為陡峭。流域內水系呈羽狀，有利于泥石流體匯流，主溝兩側山體陡峻，為暴雨洪水匯集提供了良好條件，同時，坡體覆蓋層較松散，為溝域內不良地質現(xiàn)象的發(fā)育提供了有利條件。加之溝谷縱坡大，為松散固體物質搬運和泥石流形成提供了有利的地形。上游冰雪覆蓋區(qū)和寒凍風化區(qū)，寒凍風化侵蝕較強烈，冰雪融水沿坡支溝匯集于主溝后沿陡峻溝道下泄，為山洪、泥石流提供必要的動力條件。根據(jù)相關資料，其主溝近期無泥石流暴發(fā)歷史。

據(jù)遙感影像解譯，溝谷上游支溝崩塌、滑坡、泥石流頻發(fā)，對C溝流域內泥石流物源的類型、分布和儲量進行識別和估算。研究發(fā)現(xiàn)，C溝流域內泥石流物源相對比較簡單，松散固體物質可分為兩種類型：冰川冰磧物和崩塌、滑坡等坡面物源，如圖4所示。經遙感影像圈劃并結合現(xiàn)場調查分析得出，C溝流域內松散固體物源總量約7.602×107m3，可能參與泥石流活動的動儲量為9.11×106m3。

圖4 C溝石流物源類型與分布

2.2 橋址方案選擇

泥石流溝跨越方案分兩種：一是以隧道形式下穿繞避，隧洞在該段落埋深需考慮極端工況下泥石流最大沖刷深度，此處不做討論；二是以橋梁形式上跨通過。線路以橋梁工程通過泥石流溝，泥石流溝的流通區(qū)為較合適位置，結合C溝發(fā)育形態(tài)，在溝心線轉折處下游的流通區(qū)通過，能較大程度上減小泥石流危害。分析橋臺岸坡穩(wěn)定性，小里程斜坡坡度較陡，坡面分布薄層巖堆，適宜橋臺選址；大里程側則分布有古冰磧物，密實程度上下差異較大，且分選差、磨圓差、孔隙大，特別是以透鏡體狀分布于其中的塊石土，其粒徑可達10～15 m。因此，在橋臺選擇時，應選擇冰磧物厚度較小處及橋梁通過冰磧物最短處通過，最終確定橋址位置如圖5所示。

圖5 C溝橋址位置平面

3 泥石流危害定量評價

3.1 泥石流易發(fā)性評價

泥石流溝谷危害評價，首先須從其易發(fā)性著手，在此基礎上，再對泥石流對橋梁工程影響進行定量評價。根據(jù)T/CAGHP006—2018《泥石流災害防治工程勘查規(guī)范》(以下簡稱“規(guī)范”)[15]中泥石流溝易發(fā)程度數(shù)量化評分表Ⅰ.1各項指標，C溝泥石流易發(fā)性綜合評判得117分，為極易發(fā)。因此，線路通過該泥石流溝時，橋梁高度與橋跨形式極為關鍵，須對一次泥石流最大可能影響范圍進行定量評價。

3.2 一次泥石流最大影響范圍評價

根據(jù)泥石流發(fā)育特性可知，一次泥石流最大影響范圍應包括設計頻率下的一次泥石流最大淤積厚度、泥深及泥石流沖起高度。

3.2.1 泥石流峰值流量計算

設計頻率下一次泥石流最大淤積厚度須由泥石流峰值流量計算得出，根據(jù)“規(guī)范”采用以泥石流與暴雨同頻率且同步發(fā)生、計算斷面的暴雨洪水設計流量全部轉變成泥石流流量為前提的雨洪法，是較為適宜的。

此方法首先按水文方法計算斷面設計頻率下暴雨洪峰流量Qp，再由泥石流泥沙修正系數(shù)及堵塞系數(shù)得出設計頻率下泥石流峰值流量Qc。此處采用《四川省中小流域暴雨洪水計算手冊》[16]中“小流域暴雨洪峰流量計算方法”進行計算。其公式如下

Qc，p=0.278ψSF/τn

(1)

式中，Qc，p為頻率P下暴雨洪水設計流量，m3/s；ψ為洪峰徑流系數(shù)；S為暴雨雨力，即t=1 h的暴雨強度，mm/h；n為暴雨指數(shù)；F為流域面積，km2；τ為流域匯流時間，h；τ0為ψ=1時流域匯流時間，h。

其中，ψ=f(μ，τn)，τn=f(m，S，J，L)，ψ與τ兩者互為函數(shù)關系，μ為產流參數(shù)(mm/h)；m為匯流參數(shù)；L為溝道長度，km；J為河道平均坡度(以千分率計)。μ、m直接由經驗式μ=6F-0.19及m=0.218θ0.204求得，θ為流域特征系數(shù)，θ=L/(J1/3-F1/4)。C泥石流溝流域形態(tài)參數(shù)見表1。

表1 C泥石流溝流域形態(tài)參數(shù)

設計頻率下的暴雨指數(shù)n及暴雨雨力S可由如下過程得出：由表1中暴雨參數(shù)，結合皮爾遜Ⅲ型頻率表[17]得出設計頻率下的最大暴雨量Htp(其中t=1、6、24 h，P=0.5、1、2、5、10)，而H1p即為Sp，由Htp根據(jù)降雨歷時不同，即可得出暴雨指數(shù)n，此處按最不利暴雨歷時6～24 h考慮，n=1+1.661lg(H6p/H24p)求得。計算采用的暴雨設計參數(shù)見表2，其中，歷年24、6、1 h最大降雨量均值是由《西藏自治區(qū)林芝地區(qū)水文圖集》[18]結合當?shù)亟涷炛荡_定。

表2 C泥石流溝設計暴雨參數(shù)

經計算，得出設計頻率下暴雨洪峰流量，見表3。

表3 C泥石流溝設計頻率下暴雨洪峰流量 m3/s

雨洪法公式如下

Qc=(1+φ)Qp·Dc

(2)

式中，Qc為頻率P的泥石流峰值流量，m3/s；Qp為頻率P的暴雨洪峰值流量，m3/s；φ為泥石流泥沙修正系數(shù)，φ=(γc-γw)/(γs-γc)；γc為泥石流重度，g/cm3；γw為清水重度，g/cm3，取γw=1；γs為泥石流中固體物質重度，g/cm3；Dc為泥石流堵塞系數(shù)，取Dc=4。

由“規(guī)范”中表Ⅰ.2泥石流易發(fā)性與泥石流重度關系，可得P=5即20年一遇泥石流時，其重度γc=1.84 g/cm3，由“規(guī)范”表Ⅰ.2中得1+φ=2.05，從而反算出γs=2.65 g/cm3(各頻率下該值取值相同)。泥石流重度與規(guī)模密切相關，一般而言，泥石流規(guī)模越大，重度越大。據(jù)不完全統(tǒng)計，百年一遇的泥石流重度與頻率有一定關系，其關系如下[19]

(3)

p′=0.01p

(4)

最終得設計頻率下泥石流重度，見表4。

表4 C泥石流溝設計頻率下泥石流重度 g/cm3

由式(2)可得C溝不同頻率泥石流峰值流量，如表5所示。

表5 C泥石流溝設計頻率下泥石流洪峰流量 m3/s

3.2.2 泥石流一次總量及一次固體物質總量計算

泥石流一次總量按“規(guī)范”J.11式計算

W=0.264QcT

(5)

式中，W為泥石流一次總量,m3；T為行流時間,s；其余含義同前。

泥石流一次固體物質總量計算，按“規(guī)范”J.20式計算

Ws=W(γc-γw)(γs-γw)

(6)

式中，W為泥石流一次總量，m3，其他符號同前。

計算可得C溝不同頻率泥石流一次總量及固體物質總量，見表6。

表6 C泥石流溝設計頻率下泥石流一次總量及固體物質總量 104m3

3.2.3 一次泥石流最大堆積厚度計算

一次泥石流的最大淤積厚度是泥石流災害評估和防治的最重要參數(shù)之一，將直接決定橋梁預留凈空過流高度。泥石流的淤積厚度可通過野外調查獲得，也可通過泥石流的重度和泥石流危險范圍的地形坡度，結合相應泥石流體的屈服應力計算而得。因本地區(qū)缺少泥石流體的屈服應力數(shù)據(jù)，故而，使用一次泥石流危險范圍預測模型進行計算[20-21]。該模型的誤差分析表明，一次泥石流最大堆積厚度(d)的平均相對誤差在7%左右，屬于允許誤差范圍內，能滿足本工程對一次泥石流最大堆積厚度預測的精度要求。一次泥石流最大堆積厚度(dc)的計算公式為

(7)

式中，dc為一次泥石流最大堆積厚度，m；V為一次松散固體物質最大補給量，m3，即為式(6)中Ws；γmax為泥石流最大重度，g/cm3；G為堆積區(qū)比降。

按最不利考慮，計算得出：P=0.5即200年一遇泥石流時，γmax取地區(qū)經驗值，G由1∶10 000地形圖量測可得，最終得到C溝一次泥石流最大堆積厚度為6.16 m。

3.2.4 泥石流泥深、沖起高度計算

在考慮淤積深度的基礎上計算泥石流流速、流深和沖起高度，某斷面處泥石流峰值流量計算公式如下

Qc=VA

(8)

式中，V為泥石流流速，m/s；A為過流面積，m2。橋址處過流斷面是典型深切“V”形溝谷，成都側為基巖岸坡，為侵蝕岸；拉薩側為冰磧物岸坡，為堆積岸，如圖6所示。此處過流面積A結合地形及斷面求得，由上式得出流速為10.03 m/s。

泥石流流速按照“規(guī)范”中J.31及地區(qū)經驗公式[13]可得其泥深。

(9)

式中，n為糙率，依“規(guī)范”取0.156；H為泥深；I為斷面比降。計算得出泥深H=7.34 m。

泥石流沖起高度按照“規(guī)范”中式J.46結合地區(qū)經驗進行系數(shù)修正，按照式(10)計算

(10)

式中，ΔH為沖起高度，m；g為重力加速度，m/s2。由式(10)可得ΔH=8.22 m。

綜上，由一次泥石流最大堆積厚度、泥深及泥石流沖起高度，考慮安全超高(安全超高取15 m)，從而得出橋梁安全凈空為36.72 m，如圖6所示。

圖6 C溝橋梁跨越安全凈空高度示意

4 結論及建議

因波密縣境內廣泛分布的大型及特大型冰川泥石流溝，直接影響川藏鐵路在該段的走向及工程設置。選取該段落內具有重要影響的某典型泥石流溝—C溝進行橋梁安全凈空高度研究，研究結論如下。

(1)C溝流域面積大，溝頂冰川發(fā)育，溝口冰磧物廣布、溝內物源豐富具備泥石流形成條件，定量評價極易發(fā)生泥石流。

(2)根據(jù)C溝泥石流的形態(tài)特征及兩側岸坡工程地質條件，選定擬設橋梁位置，以衛(wèi)星遙感影像和野外實地調查為依據(jù)，通過對泥石流相關參數(shù)分析計算，得出200年一遇泥石流(P=0.5)最大影響范圍為21.72 m，考慮安全超高15 m，橋梁的安全凈空高度為36.72 m。

(3)該溝以橋梁形式通過時，應以高墩大跨形式通過，橋高滿足安全凈空高度，同時做好泥石流工況下兩側岸坡防護。

(4)采用“雨洪法”計算設計工況下一次泥石流最大堆積厚度、泥深及躍起高度，在考慮安全超高的前提下，得出該冰川泥石流溝橋梁安全凈空高度，同時詳細展示了計算方法與流程，提出川藏鐵路以及其他冰川泥石流地區(qū)的泥石流危害定量評價思路。

未來工作中應進一步對泥石流沖刷工況下拉薩側冰磧物岸坡穩(wěn)定性進行定量評價，同時還應考慮泥石流影響范圍內的橋墩如何布設以及泥石流對橋墩沖擊力定量評價。